基于逆向工程的閘門底樞磨損量測量

龔壯輝， 蘇丹， 胡遠航， 彭巍， 洪俊鵬， 袁澤坤

（三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌433002）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，水上運輸對人們生活有著重要的影響，閘門作為水上運輸的重要組成部分，且運行的環境比較復雜，因此使得故障率大大上升[1]。閘門底樞蘑菇頭在水下長期處于低速、重載工作環境，頻繁開關，會導致底樞摩擦副失效。人字閘門底樞摩擦副在運行時由于復雜環境而導致的失效問題顯得突出[2]。

蘑菇頭磨損量最直觀表現形式在于蘑菇頭上有磨屑產生。傳統蘑菇頭磨損測量方法包括法向尺寸測量法、磨痕法、表面輪廓測量法[3]、放射性同位素法[4-5]和鐵譜技術方法[6]等，磨損量的評定方法有線磨損量率、質量磨損量率及體積磨損量率等，傳統磨損量測量方法雖能精確地測量出零件磨損前后質量的差異，但是不利于測量磨損前后性狀變化，其評定指標也不能顯示出磨損前后零件性狀變化[7]。

針對以上的現象，應用傳統的方式去測量曲面零件的磨損量需求存在一定的難度。本文提出一種基于逆向工程技術的測量方法，能有效地滿足該需求。逆向工程技術不僅用于新產品設計、造型優化、磨損件測量與還原，而且在藝術品、文物、生物工程均有廣泛運用。本文主要運用逆向工程技術對磨損件的測量，分別獲得磨損試驗前后底樞摩擦副試樣的三維數字化模型，通過逆向工程軟件對模型數據進行對比分析，最終獲得磨損量。

1 逆向工程

逆向工程（Reverse Engineering，RE），也稱為反求工程[8]。逆向工程這一思想最初來自于從油泥模型設計得到產品實物這一過程。它將數字化技術、曲面重構技術和先進產品制造技術三者融合[9]。傳統的設計方法是將思維圖樣化，進而再制造出產品，這一方法被稱之為正向工程，與之相反，逆向工程是由現有的產品生成圖樣，然后再根據圖樣制造產品。它以較為先進產品設備的實物、模型為研究對象，采用計算機相關軟、硬件設備作為工具，進而設計出相較于原產品更科學的產品。這種方法充分吸納原有技術中的分析方法，再將其與現代先進技術相融合[10]。

圖1為基于逆向工程技術的底樞磨損量測量流程。首先使用三維掃描儀采集底樞磨損前后的三維點云數據。再通過點云處理手段，獲得所需要底樞特征與數據。將底樞磨損前后的三維數字化模型進行對齊，對其進行對比分析，可以獲得直觀的磨損分布和磨損量大小。

2 底樞的數字化測量與點云處理

2.1 底樞的數字化測量

將物體的表面形貌轉化為空間三維坐標點，獲得逆向工程處理的初始數據。底樞的數字化測量方法跟表面輪廓法一致，采用非接觸測量方法中的結構光法。

2.1.1 底樞的預處理

為了準確地獲得掃描數據，需要在測量前對底樞試樣進行預處理。在測量前，要做好零件的表面清理、表面預處理、零件結構分析等工作，以最少的掃描點獲得零件的基本特征。

1）噴漆。在掃描過程中，金屬表面存在反光的情況，并不能完整地把試件掃描出來，存在大面積的空白，針對金屬和會反光表面需要在表面均勻地噴上白漆。

2）底樞結構分析。在對零件進行測量之前，應該明確零件的結構特點并對磨損部位進行分析，這樣可以減少不必要的測量，為后面的處理過程減少工作量。分析零件的形狀和需要掃描的區域，根據掃描設備的性能參數，確定掃描方案。

圖2為蘑菇頭的形狀特征。蘑菇頭基本形狀特征為半球體、軸頸、底座和圓周線。后期處理的特征為半球體和圓周線，掃描的過程中需要掃描到全部的有用特征，其他部位可以不掃描或者不全掃描。

2.1.2 測量過程

三維掃描軟件與三維掃描儀配套使用，掃描時大部分工作都是在軟件中操作，掃描系統的操作流程如圖3所示。

圖1 基于逆向工程技術的底樞磨損量測量流程

圖2 蘑菇頭形狀特征

圖3 掃描系統操作流程圖

標定過程中，被掃描物體表面的三維位置與其在圖像中對應點間的關系是由成像的幾何模型的模型參數解確定。標定精度直接影響掃描精度[11]。

一般以下情況需要進行標定：1）掃描儀首次使用，或放置長時間后使用；2）掃描儀使用時有過碰撞，相機位置產生偏移；3）由于掃描范圍更改，相機相應位置調整；4）掃描儀在運輸過程中發生嚴重震動；5）掃描過程中察覺到精度嚴重下降時，如拼接錯誤、失敗等情形頻繁出現；6）對掃描精度有高要求時，可進行重新標定。

很多情況下，并不能通過單次掃描獲得滿意的結果，需要對被測件進行多次掃描。多次掃描就存在將掃描的若干個單片模型之間整合拼接的問題。根據掃描件的具體情況，有手動拼接與自動拼接方式可供選擇：1）手動拼接。對于尺寸較小、表面細節過于復雜的物體，手動拼接方式更能準確拼接。2）自動拼接。如果物體大小適中，表面紋理簡單，且表面有較多的平坦區域，則自動拼接方式比較方便。

圖4為蘑菇頭磨損前后掃描點云。沒有完全對蘑菇頭底座噴漆，有底座的輪廓沒有完全掃描出來。并不能很直觀地觀察出蘑菇頭的表面特征，需要對掃描點云再進行處理。

圖4 蘑菇頭掃描點云

2.2 點云處理過程

1）點云裁剪。裁剪后的點云數據如圖5所示。從圖5可以看出，裁剪后的點云底部有些許殘缺，主要是因為噴漆過程對這部分噴漆不全面，不是主要特征，對結果沒有影響。為了更準確地提取出半球體的特征，還需要對點云進行三角網格化和再一次提取特征。

圖5 裁剪后的點云

2）點云三角網格化。點云三角網格化可以更好地展示點云，可以很直觀地觀察實物的外觀，系統直接生成的是具有渲染效果的三角形網格化點云，三角網格化效果如圖6所示。可以看出磨損前模型表面非常平滑，沒有凹坑和凸起，而磨損后模型表面比較粗糙，有較多的凹坑。該測量技術可以準確地呈現蘑菇頭表面形貌和結構。

3）特征提取。在蘑菇頭點云對比時，需要對比的特征是半球體，而軸頸殘缺不全，沒有完整的特征，因此需要進一步獲得半球體的特征信息。圖2中半球體與軸頸之間存在一條特征線，為半球體最底端的圓周線，這是用于對齊的基本特征依據。由圖6可以很清晰地看見圓周線的位置，處理結果如圖7所示。

圖6 點云三角網格化效果

圖7 圓周線

3 磨損前后點云對齊

3.1 點云對齊理論

對處理后的兩點云進行對齊。多視點云對齊、與CAD模型對齊是逆向工程中的兩大對齊方式。多視點云對齊主要面向掃描物體時點云的拼接過程，需要對齊才能準確地拼接；與CAD模型對齊則是為了檢驗原始點云與重建后模型的差別。

在Imageware軟件中，主要有基于特征對齊和直接對齊兩大類對齊命令。

1）基于特征對齊。特征對齊是以零件的基本特征為基礎的命令。基本特征包括點、線、面、圓、圓柱體、圓錐體、球體等。

表1為不同特征在對齊前后的對比。這類命令就是將相同的基本特征進行對齊，具體的對齊方式為：點與點重合、線與線共線、矢量平行/同向/重合、平面共面等。

表1 基本特征對齊對比

首先觀察和分析可用于對齊的特征，再將基本特征處點云數據截取，將其擬合為相應的基本特征，最后將擬合后的基本特征與需要對比的基本特征進行對齊。通過限制點云的自由度，可以用較少的特征進行對齊，從而獲得較好的對齊結果。

2）直接對齊。直接對齊命令是在點云基本特征不明顯，無法進行特征對齊時使用。直接對齊命令一般用于提高對齊精度，常用于這幾種情形中：需要對齊的點云之間非常接近，此前已有對齊，已經簡單地移動到一處。

3.2 蘑菇頭點云對齊

蘑菇頭點云對齊方案：首先在此前處理過的蘑菇頭磨損前后點云做輔助線，用作對齊特征；再創建一條矢量線和一個與之垂直的平面；最后分別將磨損前后點云對齊到平面和矢量線與平面的交點。

采用基于特征對齊命令中的逐步式對齊命令，它的優點是每組特征配對后，圖形都會更新，有利于實時觀察對齊效果。

對齊過程如圖8所示。將磨損前蘑菇頭點云與創建的特征對齊，如圖8（a） 所示，隱藏點云；再將磨損后蘑菇頭點云與創建的特征對齊，如圖8（b）所示；顯示隱藏的點云，此時兩個點云已經對齊到相同的特征中了，如圖8（c）所示。

可以看出，磨損后的蘑菇頭點云基本上都被磨損前的點云所包絡，由于蘑菇頭軸頸處掃描不全，所以在此部位能看出兩個點云確實存在而且對齊效果良好。

圖8 磨損前后蘑菇頭點云對齊過程

3.3 數據結果分析

磨損前后蘑菇頭點云之間對齊之后，可進行點云之間比較。磨損前后蘑菇頭點云間的差異就是磨損量，其磨損分布狀況如圖9所示。磨損分布通過顏色表示出來，對照右側的顏色欄可以看出半球體上磨損深淺，根據顏色欄可以讀出最大磨損深度為0.58 mm。圖9與表面輪廓測量得到的圖10相比，由于在底樞的預處理過程中，對底樞進行了噴漆處理，噴漆會掩蓋一部分磨損特征，所以磨損分布圖存在差距，并不能看出兩條環狀磨損帶；而且噴漆的過程中，手工噴漆并不能保證噴漆厚度均勻，加上在軟件中點云處理和對齊時存在的誤差，導致磨損深度偏大一些；但是兩者磨損嚴重區域基本重合，而且最大磨損深度與最小區域法[12]所求結果（約為0.27 mm）相差不大，因此可認為兩種方法的結果具有很大的可信度。

圖9 磨損分布圖

圖10 磨損分布云圖

4 結論

采用逆向工程技術進行底樞磨損量測量：1）對底樞進行預處理，包括表面清理和噴漆顯像；2）使用三維掃描儀對底樞進行掃描，獲取點云數據；3）對點云進行處理；4）將磨損前后底樞點云進行對齊，獲得底樞磨損分布圖和磨損深度。

獲得的磨損深度與表面輪廓法方法相差不大，可認為這兩種方法都可以成功對底樞磨損量進行測量。